Mars and beyond——美國NERVA核熱火箭發動機計劃

前些天俄羅斯又重新挖出了冷戰時期核動力導彈和核動力火箭的腦洞，由此發散了一下，突發奇想寫出此文，如果錯誤歡迎捉蟲_(:з」∠)_

背景

1969年7月20日協調世界時20點17分43秒，隨著阿波羅11號攜帶的「鷹」號登月艙在月面的成功著陸，人類終於在除了地球以外的星球上留下了自己的腳印。但在那個航天的黃金年代，只是在月球上留下幾個登月艙，幾輛月球車，一大堆腳印哪能滿足人們的夢想呢？

我們要玩兒點更大的！

建立月球永久基地、載人登陸並往返火星，甚至載人抵達太陽系更深處的地方，讓人類從地球這個搖籃里走出去，這是當年很多人們的夢想。而這個夢想如何實現？在當年有很多種方案，從喪心病狂利用核彈衝擊波推進的「獵戶座」計劃，到暴力火箭大毒草UR700無所不包，其中相對有效率也相對可行的方案，可能就是依靠核熱火箭發動機那相對化學能火箭高不少的比衝來實現了。本文介紹的就是美國在那個年代的核熱火箭發動機研發計劃——NERVA（Nuclear

Engine for Rocket Vehicle Application，火箭飛行器用核引擎）

首先，為什麼要用核熱火箭發動機？

在深空探測任務中，對火箭發動機的比衝要求十分嚴格。雖然氫氧燃料的化學能火箭可以攜帶幾十噸的載荷到達近地軌道或月球軌道，但是在進一步的深空探測行動中，化學能火箭發動機的性能就會出現不足，我們可以在上面的表格中看到，核熱火箭發動機NRX/XE的比沖相比傳統化學能火箭中比沖最高的RL-10發動機還要高了接近一倍，優勢非常大，用更少的燃料獲得更多的速增量，何樂而不為？

歷史

核動力火箭計劃開始是與核動力飛機一起進行可行性研究的。1955年，洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL）與勞倫斯利佛摩國家實驗室開始合作研發核動力火箭，也就是Rover（流浪狗）計劃。到了1961年，流浪狗計劃的進展極快，大大超出了預期，NASA一瞅，呦呵還挺快！於是乎在其計劃的太空探測任務中提前加入了使用核熱火箭發動機的方案。最初始的計劃是使用LANL的核動力火箭，為計劃於1964年發射的RIFT（Reactor-In-Flight-Test/核動力實驗飛船）提供動力，並且規劃和監督的需求使得NASA與原子能委員會開始合作，成立了太空核推進辦公室（SNPO），實驗室主任Harold Finger一看，還有不少指標還只停留在紙面上呢，於是乎他做出了延遲RIFT的決定，因為他認為在允許RIFT之前需要實現核熱火箭發動機的嚴格設計目標，這便是NERVA計劃的雛形。

技術細節

設計理念與指標

在二十世紀六十年代早期，深度探月和載人火星探險最受關注。其中火星任務對推進系統的要求是最嚴格的。現有或正在開發的化學推進系統由於過大的飛船重量和過長的任務時間而不適用於載人行星探測應用。對於核動力火箭來說，太空船的重量可以達到150萬到300萬磅（680-1360噸），對於如此沉重的火星飛船來說，推進用的發動機比沖超過800秒，推力達到200,000磅（90噸）或更多是很有必要的。相比之下，由於月球任務所用的飛船相對較輕，所以其對發動機的推力要求低得多，可以低於100,000磅（45噸）。

經過洛斯阿拉莫斯國家實驗室多年的核反應堆研究。工業承包商阿羅杰特和威斯丁豪斯選擇於1961年開始開發NERVA發動機。最初計划了一個核火箭發動機飛行測試。然而1962年Rover計劃中的幾種KIWI反應堆在試車時屢次發生諸如反應堆解體噴出、融堆等嚴重事故。所以在1963年，核火箭計划進行了重新審查，最終決定該發動機開發計劃只側重於地面測試。

工質的選擇

發動機採用氫作為噴射工質，主要原因是因為在核熱發動機中工質需要很好的導熱和能量轉換能力，在這種條件限制下單原子分子氦其實是最優選，但是因為氦在地球上儲量太少，製取難度和成本又太高，只能退而求其次選擇製取難度較低的氫作為工質。同時由於核熱發動機使用的反應堆需要屏蔽輻射確保安全，但對於越輕越好的火箭來說，使用鉛等重金屬作為防輻射材料顯然是不現實的，此時氫的另一個優點便凸顯了出來，以硼和其他元素製成的較輕的材料吸收γ射線，同時利用液氫的特性吸收防輻射材料無法完全吸收的中子，在防輻射層和液氫的雙重保護下，載荷收到的輻射量大大減小，足以滿足載人任務的需要。

發動機結構

如圖所示，發動機高22英尺，頂端與液氫儲箱連接。從上到下分別為頂部的錐形承力結構和球形氦氣儲罐，在上下組件中間安裝有萬向節。，渦輪泵安裝在下部結構中。反應堆和內部屏蔽層包含在壓力容器內。火箭噴口安裝在壓力容器上，由液體燃料冷卻。

發動機在運行時燃料由加壓罐體流出後進入由渦輪驅動的燃料泵，進一步加壓之後經管路流向噴管夾層中，冷卻噴管的同時吸熱升溫，之後小部分燃料進入渦輪泵驅動渦輪，之後直接從單獨的噴嘴中排出，大部分燃料進入反應堆與壓力容器外殼之間的反射層內，冷卻反射層和至於其中的控制棒，最終經過反應堆，吸收大量的熱量，同時汽化膨脹，由噴管噴出，產生推力。

循環方式的選擇

驅動渦輪泵的循環方式選擇是設計時的關鍵選擇之一，因為不同的循環方式可能對推進系統性能（比沖）和發動機的啟動特性產生重大影響。另外，主要組件的設計和組件之間的交互也會受到影響，例如不同的循環方式可能會影響到反應堆、渦輪泵和噴管的設計。

NERVA發動機採用了開式熱循環，如下圖，少量經過反應堆堆芯徹底汽化的氫氣通過旁路與少量未經過反應堆堆芯的液氫混合，使整體的溫度下降到渦輪材料可接受，之後通過渦輪來驅動渦輪泵，做功後的氫氣直接以較小的推力排出發動機。此循環方式在對多種方案的全面評估後被選中。替代方案包括擠壓循環，氣體發生器系統循環，全流量循環，和開式冷循環。這些渦輪循環方式總結在下表中，並對每一種循環都作出了評價，其中包括每個選擇的優點和缺點。

主要選擇開式熱循環是因為開式循環組件可以獨立開發和測試而無需與整個系統整合。

反應堆設計

KIWI / NERVA反應堆

被稱為NRX（Nuclear Reactor Experimental/實驗性核反應堆）的NERVA反應堆的開發選擇以LANL在流浪狗計劃中開發的KIWI-B4研究反應堆作為基礎。KIWI-B反應堆的概念是NERVA計劃開始之前在LANL進行了幾年的深入研究和開發的結果，因此NERVA (NRX)反應堆決定充分利用之前KIWI的研究和開發工作。

NRX反應堆組件包括反應堆堆芯，反射層，控制棒和內部屏蔽罩，如下圖所示。反應堆堆芯由浸漬於熱解石墨中的碳化鈾顆粒構成的燃料棒組成，並且在軸向中央設置了不鏽鋼支撐棒，頂部和底部設有支撐塊，反射器層鈹製成。利用位於反射層中的12個表面貼有硼控制片的旋轉控制棒控制功率。該反應堆應用到飛行系統中時，可以產生大約75,000磅（34噸）的推力和825秒的比沖。反應堆運行溫度約為2300°K，初始壽命預期為1小時。

該反應堆使用排列在大致圓柱形反應堆堆芯中的六角形石墨燃料棒，每根燃料棒有19個通孔供液氫通過，6根燃料棒包圍著一根只通氫氣無核燃料的支撐單元，底部裝有支撐塊，用來托住燃料棒。燃料棒中流通氫的孔洞和外壁上均有碳化鋯塗層，用來防止氫氣對核燃料的腐蝕並阻止其與石墨基材發生化學反應。

控制棒由鈹構成，為縮短整體長度，控制棒不再使用插拔式控制的方式，而是十分有創意的使用了旋轉調整控制棒。如下圖所示，控制棒上覆蓋有硼控制片用於吸收中子，在硼控制片朝向反應堆堆芯時可吸收中子，從而降低功率；在提高功率時只需要旋轉控制棒，使鈹反射層朝向反應堆堆芯即可。

地面測試

二十世紀六十年代早期，KIWI / NERVA反應堆的技術研究在結構設計和減少燃料棒腐蝕方面取得了長足的進步，在反應堆和燃料技術取得重大進展的基礎上，確定發動機系統可行性的早期測試既是可取的，也是必要的。此外，許多發動機測試的實驗目標可能比計劃提前數年實現。顯而易見的是，實現這一重大任務節點的最快方法就是發動機-反應堆系統結合測試，因此NRX / EST（實驗性核反應堆/發動機系統測試）成為NERVA計劃的一個關鍵組成部分。

之前的KIWI反應堆測試中有一些組件例如渦輪泵並未採用可以運用在飛行任務中的構型，此次試驗才把渦輪泵塞進測試發動機里，發動機組件的布置儘管與常規發動機略有不同，但其功能上與飛行系統中的組件並沒有太大差別。關鍵的發動機組件，即反應堆，渦輪泵和噴管在功能上是可以進行飛行試驗的部件。

NRX /

EST測試的主要目標如下：

1. 證明在沒有外部供能的情況下啟動和重啟發動機的可行性。

2. 在不同初始條件下評估啟動，關閉，冷卻和重啟期間控制系統的特性（穩定性和控制模式）。

3. 在較寬的運行範圍內研究系統的穩定性。

4. 在多次重新啟動的瞬間和持續運行期間，研究發動機部件，特別是反應堆的耐久能力。

NRX /

EST測試計劃於1966年2月進行，所有測試目標都成功完成。發動機系統啟動並重新啟動數次；發動機在較寬的運行範圍內被證明是穩定的；發動機溫度上升速率符合設計要求；發動機控制系統的性能在瞬態和持續運行時都被證明是可預測且安全可靠的。此外，在額定功率、推力、溫度的穩定工況和瞬態工況下，發動機部件的耐久性能都得到了證明。NRX / EST運行了將近兩個小時，其中28分鐘是全功率運行的。這超過了當時開發的其他反應堆運行時間的兩倍。

接近實用

在繼續研發了一段時間之後，1969年，他們拿出了真正可以用於太空飛行的核熱發動機——NRX/XE。與三年前測試的NRX/ EST相反，XE （Experimental

Engine）發動機在結構和功能上盡量模擬了飛行系統，但只要可能，還是會使用一些僅適用於測試的組件和子系統以節約成本和時間。例如很多閥門和氣動系統對發動機系統性能並沒有太大影響。另外，在組件中增加了外部防輻射罩以保護髮動機部件。這使很多參與系統測試的組件免去了防輻射加固的必要。

NRX/XE在沒有外部供能的情況下成功自啟動，並在包括全功率運行的一系列瞬時和穩定條件下運行。發動機在多種控制模式下在大範圍的工況下安全地運行，特別重要的是在閉環壓力和溫度控制下操作。這種控制模式計劃在飛行中用於控制推力和比沖。XE引擎共運行了115分鐘，28次重複啟動。XE引擎測試的意義非常重大，因為它證明了一種適合於太空飛行應用的核熱火箭發動機，並且在運行時擁有相比化學能火箭2倍的比沖。所有的發動機可行性問題都得到了成功解決，沒有觀察到任何組件或系統問題，飛行的核火箭系統的發展可以放心進行。

最終NRX/XE引擎的測試結果表明，其可以在反應堆功率為1140MW時產生24.667kN推力、推力室溫度2272K、室壓3.861MPa、燃料流量35.8kg/s、地面比沖710s，長度6.9m、直徑2.59m，測試樣機總重18,144kg，具有多次重複啟動能力，並完全適用於太空飛行推進使用。

結語

計劃應用

NASA最初計劃於1978年登陸火星，1981年開始在月面建設永久性基地，NERVA的發動機將作為把載荷從低地球軌道送至目標軌道，為地球和月球軌道上的空間站和月球基地運輸補給的「太空拖車」使用。同時NERVA的發動機也計劃作為替換土星五號第三級發動機的「S-N」（Saturn-Nuclear）方案使用，如果此方案得以成真，土星五號的近地軌道運載能力可以從現有的118噸提升至150噸。此外NASA還有很多載人深空探索任務、近地軌道與月球軌道重型載荷任務都計劃使用NERVA發動機，再次不再贅述。

最終下馬

雖然發動機、渦輪泵和液氫燃料罐罐從未實際裝配到一起，但NERVA已被認為準備好在NASA今後的飛船中應用，但由於火星探索計劃給國家預算帶來的威脅在國會製造了一個小小的政治危機，再加上保護該計劃的新墨西哥州參議員Clinton Anderson病重，強力支持人類太空探索計劃的總統林登·約翰遜宣布放棄競選連任。美國國家航空航天局的計劃資金在1969年預算中被國會略微減少，關閉了土星火箭生產線，並在阿波羅17號後取消了阿波羅任務。沒有了將NERVA運載到軌道上的土星五號火箭，NERVA計劃的可行性大幅度降低，最終洛斯阿拉莫斯的課題組繼續開發了幾年Pewee核熱引擎和反應堆，但還是於1972年解散。

迎來「第二春」

進入二十一世紀，火星探索計劃再次被提到日程上來，美國總統特朗普在為NASA批准預算方案的時候提出要其研究2033年將人類送去火星的可行性。而在這個計劃中，幾十年前開發的核熱推進器仍然是現如今接近實用的比沖最高的發動機。雖然當年高速度的研究已經停止，但是NASA從未徹底放棄對核熱推進器的研究和開發，也許我們可以在不久的將來，看到人類依靠著核熱推進器前往火星並成功返回。這種設想能否成真？讓我們拭目以待。

參考文獻

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